MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU Chúng ta sống thời đại nhôm Nhôm có vai trò vô quan trọng sống người ứng dụng nhiều lĩnh vực như: Hàng không, thực phẩm, sinh hoạt, dược phẩm, ô tô, xây dựng, máy móc, vũ trụ…Chính vậy, sản xuất nhôm ngành sản xuất mà quốc gia muốn phát triển Nhôm kim loại có mặt nhiều vỏ trái đất (chiếm 8% khối lớp rắn chất rắn) Trong quặng Bauxite quặng chứa nhiều kim loại nhôm Bauxite tài nguyên khoáng sản dồi trái đất Việt Nam quốc gia có trữ lượng Bauxite lớn giới Từ Bauxite thu hồi Al 2O3 tiếp tục điện phân thu nhôm kim loại Trong tìm hiểu phương pháp sản xuất Al 2O3 từ bauxite đặc biệt phương pháp đện phân nóng chảy Al2O3 để sản xuất nhôm kim loại TỔNG QUAN VỀ NHÔM 1.1 Giới thiệu chung nhôm Nhôm chiếm khoảng 8% khối lớp rắn Trái Đất Kim loại nhôm phản ứng hóa học mạnh với mẫu quặng có mặt hạn chế môi trường khử cực mạnh Tuy vậy, tìm thấy dạng hợp chất 270 loại khoáng vật khác bao gồm Corundum (Al2O3), diaspore boehmite (Al2O3.H2O), gibbsite (Al2O3.3H2O), caolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O)…Quặng chứa nhôm bauxite Nhôm nguyên tố phổ biến thứ (sau oxy silic), kim loại phổ biến vỏ Trái Đất Nhôm có ký hiệu nguyên tử Al, tên gọi quốc tế: Aluminium Trong bảng tuần hoàn, nhôm ô13, nhóm 3, chu kì Nhôm kim loại mềm, nhẹ với màu xám bạc ánh kim mờ, có lớp mỏng ôxi hóa tạo thành nhanh để trần không khí Hình 1.1.1 Nhôm Bảng 1.1.1 Các tính chất chung tính chất vật lý kim loại nhôm Tính chất chung Khối lượng nguyên tử: 26,981538 đvC Tính chất vật lý Trạng thái vật chất: rắn Bán kính nguyên tử (calc.): 125 pm Khối lượng riêng : 2,700 kg/m3 Bán kính cộng hoá trị: 118 pm Độ cứng: 2,75 Cấu hình electron: [Ne]3s 3p Tính Chất chung Trạng thái ôxi hóa: Độ âm điện: 1,61 (thang Pauling) Điểm nóng chảy: 933,47 K (1.220,6oF) Tính chất vật lý Điểm sôi: 2.792 K (4.566 °F) Thể tích phân tử: 10 ×10-6 m³/mol Trạng thái trật tự từ: Thuận từ Độ dẫn điện: 3,774x107 /Ω•m Độ dẫn nhiệt: 237 W/(m•K) Nhiệt dung riêng : 897 J/(kg•K) Cấu trúc tinh thể : hình lập phương tâm mặt Năng lượng ion hóa: 577,5 kJ/mol 1.816,7 kJ/mol 2.744,8 kJ/mol Nhiệt bay hơi: 293,4 kJ/mol Nhiệt nóng chảy: 10,79 kJ/mol Áp suất hơi: 100.000 Pa 2.792 K Vận tốc âm thanh: 5.100 m/s 933K Khối lượng riêng nhôm khoảng phần ba sắt hay đồng; mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) dễ dàng gia công máy móc hay đúc; có khả chống ăn mòn bền vững lớp oxit bảo vệ Nó không nhiễm từ không cháy để không khí điều kiện thông thường Sức bền nhôm tinh khiết 7–11 MPa, hợp kim nhôm có độ bền từ 200 MPa đến 600 MPa Các nguyên tử nhôm xếp thành cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) Nhôm có lượng xếp lỗi vào khoảng 200 mJ/m2 Tính theo số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất kim loại khác, trừ sắt, đóng vai trò quan trọng kinh tế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, tạo hợp kim với nhiều nguyên tố đồng, kẽm, magiê, mangan silic Khi gia công cơ-nhiệt, hợp kim nhôm có thuộc tính học tăng lên đáng kể Các ứng dụng Nhôm: - Các hợp kim nhôm tạo thành thành phần quan trọng máy bay - tên lửa tỷ lệ sức bền cao khối lượng Khi nhôm bay chân không, tạo lớp bao phủ phản xạ ánh sáng xạ nhiệt Các lớp bao phủ tạo thành lớp mỏng ôxít nhôm bảo vệ, không bị hư hỏng lớp bạc bao phủ hay bị Trên thực tế, gần toàn loại gương đại sản xuất sử dụng lớp phản xạ nhôm mặt sau thủy tinh Các gương kính thiên văn phủ lớp mỏng nhôm, mặt trước để tránh phản xạ bên điều làm cho bề mặt nhạy cảm với tổn - thương Các loại vỏ phủ nhôm dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ xạ điện từ Mặt Trời tốt, mà xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp - Hợp kim nhôm, nhẹ bền, dùng để chế tạo chi tiết phương tiện - vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển, v.v…) Đóng gói (can, giấy gói, v.v…) Xử lý nước Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván, v.v…; nhiên đánh vai trò dùng làm dây dẫn phần cuối mạng điện, trực tiếp đến người sử - dụng.) Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp, v.v…) Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện 60% đồng, - nhẹ tính theo khối lượng rẻ tiền Chế tạo máy móc Mặc dù tự thân không nhiễm từ, nhôm sử dụng thép - MKM nam châm Alnico Nhôm siêu tinh khiết (SPA) chứa 99,980 % - 99,999 % nhôm sử dụng - công nghiệp điện tử sản xuất đĩa CD Nhôm dạng bột thông thường sử dụng để tạo màu bạc sơn Các nhôm cho thêm vào sơn lót, chủ yếu xử lý gỗ - - khô đi, nhôm tạo lớp kháng nước tốt Nhôm dương cực hóa ổn định ôxi hóa, sử dụng - lĩnh vực khác xây dựng Phần lớn tản nhiệt cho CPU máy tính đại sản xuất từ - nhôm dễ dàng sản xuất độ dẫn nhiệt cao Oxit nhôm, alumina, tìm thấy tự nhiên dạng corunđum, emery, ruby saphia sử dụng sản xuất thủy tinh Ruby saphia tổng hợp sử dụng ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả - giao thoa Sự oxi hóa nhôm tỏa nhiều nhiệt, sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên - lửa, nhiệt nhôm thành phần pháo hoa Phản ứng nhiệt nhôm dùng để điều chế kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (như crôm - Cr, Vonfarm - W ) Chính vậy, nhôm số bốn kim loại màu mà quốc gia muốn phát triển công nghiệp cần đến Hình 1.1.2 Các ứng dụng kim loại nhôm 1.2 Sản xuất nhôm giới 1.2.1 Lịch sử sản xuất nhôm Mặc dù nhôm nguyên tố phổ biến vỏ trái đất (8,1%), lại dạng tự cho kim loại quí có giá trị vàng.Vì nhôm kim loại tương đối công nghiệp sản xuất với số lượng công nghiệp khoảng 100 năm Vào cuối kỷ thứ XIX, tổng lượng nhôm sản xuất Mỹ vào năm 1884 có 125 pound (01 pound tương đương 450 gram) Đầu năm 1886, Charless Martin ngiên cứu phương pháp điện phân oxit nhôm để thu kim loại nhôm tinh khiết Nhà bác học Pháp Paul Louis Toussaint Heroult cách độc lập hoàn thiện phương pháp điện phân để sản xuất kim loại từ quy trình điện phân nhôm Hall-Heroult đời 1.2.2 Tình hình sản xuất nhôm giới Nhôm sản xuất với sản lượng thương mại từ năm 1886 Tổng sản lượng nhôm thấp so với thép đứng đầu sổ kim loại màu sản xuất Lượng tiêu thụ nhôm thường khoảng (3 – 5) % lượng tiêu thụ thép (tuỳ thuộc mức độ phát triển công nghiệp nước) tỷ lệ có xu hướng ngày tăng Theo liệu nghiên cứu Cơ quan Thống kê Kim loại Thế giới (WBMS) sản xuất nhôm giới năm 2007 đạt 38,02 triệu tấn, năm 2008 đạt 41,9 triệu đến năm 2020 đạt 78,5 triệu Từ năm 2008 đến 2011 thị trường nhôm xảy dư thừa từ 0,1 - 1,8 triệu tấn/năm, đến giai đoạn từ 2012 đến 2020, nhôm rơi vào tình trạng thiếu hụt khoảng từ 0,3 triệu đến 2,6 triệu tấn/năm Tiêu thụ nhôm tăng kéo theo nhu cầu alumina cho điện phân nhôm tăng: Năm 2010 80,6 triệu tấn, năm 2012: 90,9 triệu tấn, năm 2013 khoảng 96,8 triệu tấn, dự báo 2015 110,1 triệu (trong năm tăng 1,37 lần) Đặc biệt từ nhu cầu Trung Quốc quốc gia thuộc Mỹ La tinh Khu vực Châu Á thiếu hụt alumina, phải nhập từ Úc Nam Mỹ, với khoảng cách xa, làm tăng chi phí Phần lớn alumina giao dịch thị trường Thế giới thông qua hợp đồng dài hạn, có phần nhỏ, khoảng 10% tham gia vào thị trường trôi Giá alumina thị trường dao động khoảng từ 11-15% so với giá nhôm Nhóm Broc Hunt nghiên cứu thị trường alumina Thế giới cho dự báo dài hạn thị trường alumina đến năm 2020 theo bảng đây: Bảng 1.2.1 Dự báo thị trường alumina đến năm 2020 Đơn vị: Triệu Năm Sản lượng Nhu cầu Thừa/Thiếu 2008 2009 83,7 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2020 90,0 97,7 100,5 104,0 107,0 113,4 118,3 126,8 129,3 148,7 82,4 88,4 95,7 99,4 101,8 107,5 113,1 118,8 127,1 130,3 148,3 1,3 1,6 2,0 1,1 2,1 -0,5 -0,3 -1,0 0,4 0,3 -0,5 Nguồn “Broc Hunt” Trong theo thống kê xác “World Aluminium” thị trường alumina thị trường nhôm giới năm gần có diễn biến sau: Bảng 1.2.2 Sản lượng alumina nhôm năm gần Đơn vị: Triệu Năm 2008 Sản lượng alumina 84,240 Sản lượng nhôm 39,917 2009 2010 78,41 88,314 37,70 42,353 2011 2012 2013 2014 2015 97,508 100,505 105,86 107,88 94,285 45,817 51,195 53,127 48,217 48,774 Nguồn “Word Aluminium” Tổng sản lượng nhôm năm 2015: 48,217 triệu Đông & Trung Âu –3,174 Tây âu – 3,112 Bắc Mỹ - 3,729 Châu Á ( trừ Trung Quốc) -2,432 Châu Phi1,408 Nam Mỹ - 1,107 Trung quốc báo cáo -26,458 Trung Quốc ước tính không báo GCC- 4,249 Châu Đại Dương – 1,648 R O W Hình 1.2.1 Sản lượng nhôm khu vực giới năm 2015, đơn vị (triệu tấn) 10 có thức ăn, tương tự vậy, phương pháp này, silic oxit dung dịch nên bùn đỏ hình thành Trong phương pháp Orbite Aluminae, axit sử dụng để thủy phân quặng bauxite, nhiên, ban đầu áp dụng gặp không khó khăn Axit HCl có khả ăn mòn thứ, kể bể chứa Bởi vậy, người ta tiến hành phun lớp lót thủy tinh lên thành bể chứa (hay bể thủy phân) Đây công nghệ mà vài năm gần ứng dụng Lớp lót thủy tinh cho phép sử dụng axit mà không gây ảnh hưởng đến thiết bị Đầu tiên, dung dịch ngâm chiết xử lý cách kết tủa AlCl tách dạng nhôm clorua Sau đó, lượng nhôm clorua thiêu kết chuyển hóa thành alumina Hợp chất sắt clorua dung dịch ngâm chiết xử lý phương pháp thủy phân nhiệt độ thấp tạo oxit sắt nguyên chất kết tủa trình tái tạo axit clohyđric Oxit sắt (hematite) tinh chất sử dụng sản phẩm phụ đặc chủng Ngoài ra, dung dịch ngâm chiết lại số kim loại khác magiê, gali, kiềm đất thu hồi phương pháp tách chiết tiêu chuẩn Có thể thấy cách áp dụng phương pháp Orbite Aluminae không tồn dư sản phẩm axit không tạo bùn đỏ phương pháp Bayer Các oxit sắt kim loại đổ vào hồ chứa bùn đỏ phương pháp Bayer thu hồi sử dụng sản phẩm phụ hữu ích Hiện Công ty Orbite Aluminae cung cấp sáng chế Trung Quốc Nga để bảo vệ quyền sáng chế phương pháp trình diễn nhà máy sản xuất alumin chất lượng cao HPA (high purity alumina) Cap Chat, bang Quebec, Canada phương pháp sử dụng nhà máy luyện cấp alumin SGA (smelter – grade alumina) Công ty giai đoạn nghiên cứu khả thi Trung Quốc Nga xem hai quốc gia sản xuất alumin lớn giới Như vậy, sản xuất alumina phương pháp Bayer phương pháp đơn giản kỹ thuật, sản xuất nhiệt độ thấp, đơn giản kỹ thuật, tiêu tốn lượng, giá thành sản phẩm thấp Do tương lai tới giới áp dụng phương pháp Bayer 26 3.3 Quy trình chế biến nhôm kim loại từ alumina Khác với sản xuất nhôm oxit (alumina), sản xuất nhôm kim loại từ khoảng 100 năm có phương pháp công nghệ nhất, điện phân alumina dung dịch criolite nóng chảy Phương pháp thường gọi phương pháp Hall – Heroult Quá trình Hall- Heroult trình điện phân nóng chảy chảy nhôm sử dụng công nghiệp Như vậy, nhôm lỏng sản xuất phản ứng điện phân nóng chảy alumina (Al2O3) hòa tan chất điện phân chứa chủ yếu Criolite (Na3AlF6) Phản ứng hóa học tổng thể viết là: Al2O3 (dissolved) +3C (s) Al (l) +3 CO2 (g) Quy trình luyện cần thiết để sản xuất nhôm từ alumina liên tục, bể điện phân thường giữ sản xuất liên tục 24 ngày quanh năm Một lò luyện dễ dàng dừng lại khởi động lại Nếu sản xuất bị gián đoạn cố điện khoảng bốn giờ, kim loại bình điện phân đông đặc, thường đòi hỏi trình xây dựng lại từ đầu tốn 3.3.1 Cấu tạo bể điện phân Bể điện phân nhôm thiết bị trung tâm nhà máy điện phân nhôm Trên thực tế, kết cấu bể điện phân chia thành bốn phận: Catode, anoed, hệ thống làm khí dây dẫn Cathode (cực âm) làm carbon graphite Anode (cực dương) khối carbon làm than cốc dầu mỏ nhựa đường 27 TẾ BÀO HALL-HEROULT ( Mặt cắt ngang đơn giản) HF hạt cặn từ trình lọc Thanh nối 220kA từ tế bào bên cạnh vào anode Máy lọc khí Cái kiềng thép Lớp vỏ đông cứng Gốm Thanh nối với tế bào trước ANODE ( hỗn hợp than cốc) Gố m Criolite lỏng + Alumina Nhôm lỏng CATHODE (GRAPHITE) Vỏ thép Đất cách nhiệt Hình 3.3.1.1 Cấu tạo bể điện phân quy trình Hall- Heroult 3.3.2 Phân loại bể điện phân Có nhiều cách phân loại bể điện phân: theo loại hình cực dương, theo quy mô công suất (nhỏ, trung bình, lớn), theo đáy bể (có đáy, đáy) Nhưng việc phân loại theo loại hình cực dương phổ biến hơn, phản ánh tiến trình phát triển phương pháp điện phân Theo cách phân loại cóthể chia thành hai loại cực dương (cực dương Perbaked - thiêu trước cực dương sobergerd- tự thiêu) Trong tế bào điện phân alumina anode khối carbon làm than cốc dầu mỏ pitch (nhựa đường) Công nghệ Prebaked công nghệ Sobergerd 28 hai công nghệ để sản xuất khối carbon anode Những điểm khác biệt hai công nghệ việc sản xuất khối carbon anode là:  Trong công nghệ prebaked cực dương sử dụng gọi cực dương prebaked làm từ hỗn hợp than dầu mỏ, tổng hợp với chất kết dính nhựa than đá hắc ín đúc thành khối nung lò nung anode riêng biệt khoảng 1120°C Một nhôm với đinh sắt sau đúc nện vào rãnh phía khối anode để hỗ trợ anode dẫn dòng điện đến cực dương đặt vào vị trí cell Các khối carbon hình thành sau nướng vào lò để chuyển đổi thành khối carbon rắn Các dòng điện đến khối carbon thông qua liên kết với thông qua nippels Một nồi prebaked chứa nhiều cực dương (thường 14 ÷ 40, chủ yếu phụ thuộc vào hiệu suất dòng , thời gian tồn cực dương thường 26-30 ngày Sau đó, trước tiêu thụ hết ( phần ba phần tư kích thước ban đầu), chúng loại bỏ với gậy, carbon lại tái sử dụng để sản xuất cực dương Ưu điểm bể điện phân nhôm cực dương thiêu trước: Bể điện phân nhôm cực dương thiêu trước có ưu điểm sau: - Cho phép vận hành công suất lớn Hiện nay, công nghiệp người ta vận hành bể điện phân công suất lớn, với cường độ dòng điện lên đến 350 kA Công ty Alcoa thử nghiệm bể điện phân có cường độ dòng điện - 400 Ka Cho phép thay đổi kết cấu bể để áp dụng cường độ mật độ dòng điện kinh tế tuỳ theo giá điện Mật độ dòng điện sử dụng công nghiệp dao động - phạm vi 0,7-0,95 A/cm2 Đạt tiêu kinh tế - kỹ thuật cao trình điện phân : hiệu suất dòng điện 93-95%, tiêu hao điện thấp (13.000 KWh/t Al), cho phép tiết kiệm - 2500 - 3000 KWh/t Al, tức khoảng 20% điện lượng cần thiết Khi sử dụng bể điện phân cực dương thiêu trước, giải vấn đề - môi trường hấp phụ flo khí thải, không thải chất dầu Cho phép giới hóa trình điện phân giảm chi phí lao động Các thao tác công nghệ giới hóa, tự động hóa tối đa nhờ cầu trục đặc biệt kỹ thuật nạp liệu  Trong công nghệ Soderberg ý tưởng hình thành, nung gia nhập khối carbon với Một tế bào Soderberg có anode lớn, đặt hộp chứa thép, cung cấp cho anode hình dạng 29 Từ phần thùng chứa mở đầu lớp bột nhão màu xanh Trong thời gian chuyển động từ xuống thùng chứa khối bột nhão màu xanh để nung Thật không may, chất lượng anode Soderberg nung thấp so với chất lượng anode prebaked, tế bào Soderberg đặc trưng hiệu dòng điện thấp điện áp nồi cao hơn, tốn nhiệt nhiều cho việc nung anode Hiện tất nhà máy luyện xây dựng áp dụng công nghệ prebaked, tính hiệu cao tại, mức tiêu thụ lượng thấp cụ thể phát thải thấp (đặc biệt PAH- Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) Tuy nhiên, có vài nhà máy Soderberg hoạt động, trang bị thêm công nghệ bổ sung nhằm tăng cường hiệu giảm lượng khí thải Trong suốt phần lại báo này, nói tới công nghệ prebaked, hầu hết chủ đề áp dụng prebaked công nghệ Soderberg Một tế bào prebaked điển hình hiển thị đây: Hình 3.3.2.1 Hình minh họa cho tế bào prebaked 30 3.3.3 Anode Trong sản xuất điện phân nhôm tiêu thụ carbon đứng thứ đứng sau tiêu thụ alumina 415 KG carbon sử dụng cho sản xuất kim loại Chất lượng Carbon mối quan tâm lớn cho Potroom ( buồng điện phân) không cung cấp nguồn điều hành tốn kém, chất lượng ảnh hưởng đến hoạt động pot ( bình điện phân) Cực dương làm carbon có chứa tạp chất tốt Nung than cốc dầu mỏ hắc ín chất kết dính sử dụng cho nguyên liệu 3.3.3.1 Nguyên liệu để tạo thành anode 1) Than cốc • Than cốc sản phẩm phụ lọc dầu, sản phẩm khí chất lỏng khác tối ưu hóa khảng thời gian than cốc • > 50% sản lượng giới từ Mỹ • Tổng số yêu cầu ngành công nghiệp nhôm 8-11.000.000 • Hướng tăng lưu huỳnh tạp chất khác vào than cốc 2) Dầu hắc ín • • Được sử dụng chất kết dính Nhựa, hắc ín hỗn hợp phức tạp hợp chất hữu thơm dị • vòng, mà đốt thành than xử lý nhiệt Nốt nhựa than đá sử dụng phổ biến nhất, tính bền vững chất kết dính có ý nghĩa kinh tế Chức pitch chất kết dính • • • • • • • • Tính thấm nước tốt hạt than cốc tính trộn Giải phóng chất dễ bay trình nung anode Giá trị luyện than cốc cao Liên kết mạnh mẽ than cốc & hắc ín cacbon hóa Tính chất học tốt hắc ín cacbon hóa Ít tro lưu huỳnh độ phản ứng thấp Độ dẫn điện cao 3) Tàn cực dương • Cực dương tái chế làm bể nhớt đạt 35% (thường 20%) anode • Có thành phần thô công thức • Tàn cứng - giống than cốc • Tàn mềm - xốp hơn, thường trải qua đốt không khí đốt Carboxy, 31 có tác động tiêu cực đến chất lượng anode 3.3.3.2 Sản xuất anode 1)Tổng hợp Nung than cốc dầu khí nhận hỗn hợp hạt than cốc khác nhau, từ bụi mịn đến miếng có đường kính 2-3 cm Than cốc sàng lọc xếp thành 3-4 kích cỡ khác Các kích thước đưa qua máy nghiền tác động, sàng lọc lần phân loại thành kích cỡ hạt Lượng đo với kích cỡ hạt lấy cho vào hỗn hợp khô Số lượng hạt lấy từ công thức thiết kế để cung cấp khoảng trống dày đặc trộn lẫn hạt thô phải lấp đầy với hạt có kích thước trung bình khoảng trống hạt trung bình lấp đầy hạt có kích thước nhỏ, v.v… Bảng 3.3.3.2 Một công thức trung bình cho hỗn hợp khô Kích thước hạt Thô Trung bình Số lượng 30% 20% Mịn 50% 2) Trộn lẫn Dầu hắc ín thêm vào hỗn hợp khô thứ pha trộn tốt máy trộn 160-180 độ C Ở nhiệt độ dầu hắc ín hóa lỏng trở thành lớp áo choàng (lớp phủ) cho hạt than cốc Số lượng dầu thêm vào nên cần đạt điều Nếu không đủ dầu hắc ín thêm vào dẫn đến “dry pockets” (túi khô), nhiều dầu gây vấn đề khác giai đoạn việc chế tạo anode kết hình thành cực dương Số lượng xác cần thiết có liên quan đến công thức pha trộn khô Các hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn để phủ pitch nhiều dầu cần thiết cho khối lượng than cốc Số lượng trung bình 16-20% dầu hắc ín Hình thành khối Bột nhão nóng màu xanh lên máy trộn phải làm lạnh khoảng 110-120o C trước nạp vào trình ép khối Điều để khối hình 32 thành lấy hình dạng chúng Bằng quy trình hình thành khối mật độ khối hỗn hợp sản phẩm thường nâng lên từ 1,0-1,1 g.cm-3 đến 1,55-1,65 g.cm-3 Các khối ép bên hình thành áp xuất rung động áp xuất Các khối màu xanh làm mát đưa vào lưu trữ tạm thời chúng đưa vào lò nung 4.Xử lý nhiệt Trong lò cực dương xanh làm nóng chậm lên tới khoảng 11001120 0C làm mát từ từ xuống lần Tổng chu kỳ nóng kéo dài 16-28 ngày Mục tiêu baking anode xanh để chuyển hóa chất kết dính pitch vào than cốc để sản xuất cực dương nung với đặc điểm sau: • • • Độ bền học đủ để chịu tác động xử lý sốc nhiệt Độ dẫn điện cao cho hạ điện áp lượng tổn thất thấp Hoạt tính hóa học thấp chống lại công carbon dioxide khí xung quanh Để tách chất dễ bay cụ thể chương trình kiểm soát nhiệt độ gọi nung Nó đòi hỏi nung cực dương xanh 1000 oC nhiệt độ hoạt động tế bào điện phân khoảng 1000oC Dưới nhiệt độ dẫn đến độ bền độ cứng kém, điện trở cao cân hóa học Nung đặn để lên đến nhiệt độ đủ cao để tiêu thụ carbon thấp cho kim loại sản xuất Các anode nung gửi đến (trình đâm/ sọc) để sản xuất anode từ nơi gửi đến buồng điện phân để sử dụng bình điện phân 3.3.4 Chất điện phân Criolite thành phần chất điện phân sử dụng điện phân nhôm Công thức Hóa học Na 3AlF6, đôi florua natri nhôm Nó loại bột màu trắng dạng hạt Một số tạp chất làm đổi màu xám màu hồng Điểm đóng băng crolite 1009 ° C Criolite tổng hợp từ fluorspar (CaF 2), tìm thấy dạng khoáng vật tự nhiên Fluorspar xử lý acid sulfuric để sản xuất axit flohydric HF.HF sau phản ứng với natri oxit Na2O alumina để sản xuất băng thạch Tỷ lệ criolite = Ngoài Criolite, chất điện phân có số phụ gia từ khoáng vật fluoride AlF3, CaF2, LiF, MgF2, NaCO3 Các tính chất chất điện phân: 33 • • • • • Tồn dạng nóng chảy nhiệt độ cao, điều đạt mà không nhiều khó khăn trình điện phân Có mật độ đủ thấp mà đỉnh kim loại nhôm tế bào để ngăn chặn trình oxy hóa nhôm Được sử dụng dung môi cho alumina Ion hóa dẫn điện truyền dòng điện Tính bay thấp không nhiều 3.3.5 Quy trình làm việc bể điện phân Nguyên liệu trình điện phân Các nguyên liệu cần thiết để sản xuất nhôm alumina, carbon, điện, nhôm florua băng thạch (criolite) Bảng 3.3.3.1 Nguyên liệu trình sản xuất nhôm Nguyên liệu Tiêu thụ lý thuyết (Kg /mỗi Tôn nhôm) Alumina Carbon Criolite Aluminium Fluoride Điện 1930 415 20 13460KWH/t -Al Theo “Global Advanced Manufacturing Institute” Một tế bào khử nhôm đại, thường gọi bể điện phân, làm vỏ thép hình chữ nhật Tại Balco (Bay Area Laboratory Co-Operative)bể điện phân dài -15.780m ; rộng – 4.180 m, cao 1.372m), lót vật liệu cách nhiệt chịu lửa Khối carbon phía cực dương, điện cực chất điện phân, hỗn hợp criolite – alumina nóng chảy (alumina chiếm 10%) Điện áp sử dụng để điện phân từ – 5V, cường độ dòng điện bể đại từ 200 – 300 kA (bể cũ khoảng 60 – 100 kA) Dòng điện vào tế bào thông qua 40 cực dương carbon prebaked Một lớp vỏ kết đông dung dịch điện phân alumina bao phủ dung dịch điện phân nóng chảy Alumina bể điện phân cung cấp thông qua điểm cung cấp nhiên liệu Sự cách nhiệt thiết kế để cung cấp đủ nhiệt để trì bảo vệ lớp chất điện phân đông cứng thành tế bào, phía cực dương Các lớp giúp ổn định nhiệt độ chất điện phân trình đóng băng có chiều dày lớn phát nhiệt thấp mỏng tăng phát nhiệt Khoảng cách anode-nhôm nóng chảy, khoảng cách anode-cathode,trong phạm vi từ 4,5-5 cm.Dòng thép thu, tham gia vào lớp lót carbon, mang dòng điện từ tế bào Nhôm điện phân từ alumina hòa tan lắng đọng 34 thành bể nhôm nóng chảy Oxy alumina hòa tan thải lên cực dương carbon tế bào tiêu thụ Tất bể điện phân kết nối thành chuỗi Criolite (Na3AlF6), có khả hòa tan cao cho oxit nhôm, thành phần chất điện phân Hall-Heroult Vận hành trình nhiêt độ thấp nâng cao hiệu suất; đó, nhiệt độ đường pha lỏng (nơi đóng băng bắt đầu) hạ xuống chất phụ gia khác từ 1011°C (cho criolite tinh khiết) xuống 930-960°C Alumina, nhôm florua canxi florua chất phụ gia phổ biến Canxi vào chất điện phân canxi oxit tạp chất có alumina phản ứng với nhôm florua để đạt trạng thái ổn định với nồng độ 4-6% CaF2 từ đồng gửi vào nhôm với tốc độ với tốc độ đưa vào Sản xuất anode Trả vào khí DC Nghiền tàn (còn xót lại ) Fluorite Preabaked Al2O3 anode Lọc khí Al2O3 Lọc khô Criolite Lắp ráp( tập hợp anode) Làm giàu Khí từ buồng điện phân Bể điện phân 35 Anode Anode sử dụng Al2O3 Điều hành bể điện phân Quá trình thay lớp lót bể điện phân Thay lớp lót Nhôm lỏng Hình 3.3.3.1 Sơ đồ quy trình làm việc bể điện phân 3.3.6 Các phản ứng điện cực Trong phản ứng điện phân thường tạo khí CO Carbon cung cấp vật liệu anode, oxy vận chuyển đến anode hình thức phức anion Al-OF Ở nồng độ alumina cao loài Al2O2F42- Al2O2F64- thải theo đề nghị phản ứng: Al2O2F42-+4F-+C CO2 + 4e- + 2AlF4 (5) Al2O2F64- + 2F-+ C CO2+4 e- + 2AlF4 (6) Những phản ứng giải thích chất điện phân làm giàu AlF3 thực tế AlF4- gần với trình điện phân anode Ở nồng độ thấp alumina, loài Al2OFx(4-x) chiếm ưu thế, phản ứng viết sau: 2Al2OF84- + C CO2+ 4e-+ 4AlF44F- + 2Al2OF6 2- +C CO2+ 4e-+ 4AlF4- (7) (8) Nó gợi ý xuất hiệu ứng anode điện phân liên quan đến chất phức Al-OF Vì hiệu ứng anode gây suy giảm ion Al2O2Fx(2-x) dung dịch nóng chảy nồng độ alumina thấp Điều ngụ ý phản ứng (7) (8) có động học chậm so với phản ứng (5) (6) Phản ứng Cathode có cation có mặt criolite-alumina nóng chảy Na+ Mặc dù Na + trở thành chất mang dòng điện chính, cho thấy hình thành nhôm ưa chuộng natri hỗn hợp chất điện phân sử dụng công nghiệp, sức điện động tiêu chuẩn nhôm dương natri Do nhôm sản phẩm ưu tiên mặt nhiệt động học Vì chứng ion Al3 + tồn tại, tất nhôm nóng chảy bị ràng buộc anion tạo phức khác Al-OF tham gia vào phản ứng anode nên phản ứng xảy 36 cathode liên quan đến nhôm lại - có chứa ion AlF 63- AlF4- Phản ứng tổng thể viết AlF63-+ 3e-Al + 6F AlF4- +3e- Al + 4F- (9) (10) Phản ứng (9) ưa chuộng lực đẩy tĩnh điện lên ion AlF 63mạnh mẽ từ cathode.Trong trường hợp, phản ứng giải thích chất điện phân gần với cathode chứa nồng độ cao ion F- Điện phân nhôm tiêu tốn lượng điện lớn, chi phí điện chiếm 25% giá thành; để làm chảy nhôm cần khoảng 13,5 - 18,5 MWh để tách nhôm khỏi oxi alumina; mức tiêu thụ thấp 13.500 KWh/tấn nhôm ởnhà máy điện phân nhôm Moral BHP Mozambic, cao 16.292 KWh/tấn nhôm nhà máy Bratsk Nga Vì vậy, sản xuất nhôm đem lại hiệu giá điện thấp < US cent/KWh Để có giá thành hạ, công ty thường có nhà máy điện riêng, hầu hết thuỷ điện Alcan có tới 11 nhà máy thuỷ điện với tổng công suất 4.156 MW, Alcoa tự sản xuất 25% lượng điện cho sản xuất 3.3.7 Một số điều lưu ý trình điện phân - Trong trình điện phân, nhôm oxit nguyên liệu tiêu hao chủ yếu để thu Al cực âm thoát khí cực dương Vì phải cung cấp nhôm oxit vào bể để trình điện phân liên tục Cứ thời gian định lại cho nhôm oxit vào bể, cách đập vỡ lớp vỏ điện phân hình thành bề - mặt bể, sau lại rải nhôm oxit lên lớp vỏ Quá trình điện phân tiến hành 950oC, cực dương bị ăn mòn trình điện phân nên định kì phải cho cực dương xuống cho thêm hồ vào - cực dương Thực tế, bị cực than hấp phụ, bị bay hơi, bị tạp chất khác phân li, tỷ lệ thành phần chất điện phân không ổn định cần phải điều chỉnh thành phần chất điện phân Khi cho chạy bể điện phân, NaF Criolite bị cực than hấp phụ, sau thời gian không bị hấp phụ nữa, lúc AlF bị bay phân ly phản ứng: 2Na3AlF6 + 3Na2O Al2O3 + 12NaF 2Na3AlF6 + 3H2O Al2O3 + 6NaF + 6HF Vì vậy, cần cho thêm AlF3 để giữ ổn định tỷ số Criolite 37 - Al lỏng tích lũy dần đáy bể trình điện phân Cứ 3-4 ngày tháo Al lần Để đảm bảo cân nhiệt, không nên tháo hết nhôm bể thường để lại lượng nhôm lỏng ứng với chiều cao nước nhôm khoảng 15cm Nhôm đện phân gọi nhôm nguyên khai (để phân biệt với nhôm tái chế), có độ từ 99,50 – 99,85% Al Như vậy, quy trình điện phân Hall- heroult quy trình tiêu tốn nhiều lượng cho trình điên phân, quy trình có công nghệ đơn giản sản xuất số lượng nhôm lớn, sản phẩm nhôm có chất lượng cao Sau kỷ hoạt động quy trình Hall-Heroult ngày phát triển có nhiều cải tiến tích cực KẾT LUẬN Nhôm kim loại vô giá trị hữu ích sống người đặc tính quý giá nhôm Trong tương lai ứng dụng nhôm phát nhiều nữa, ngành công nghiệp nhôm ngành mà quốc gia muốn phát triển Bauxite loại quặng có trữ lượng nhiều giới, tiềm Bauxite vô lớn công nghiệp sản xuất nhôm kể tương lai xa Việt Nam nước có trữ lượng Bauxite giới đó tiềm lớn đát nước Quy trình Bayer sản xuất alumina quy trình 90% nhà máy sản xuất alumina giới áp dụng với kỹ thuật đơn giản, cần lượng nhiệt thấp, tiêu tốn lượng, hạ giá thành, chất lượng sản phẩm tốt Tuy nhiên phương pháp lại thải số lượng lớn bùn đỏ, năm gần lượng bùn đỏ không ngừng tăng cao, gây ô nhiễm môi trương tác động đến sức khỏe người, vấn đề đáng báo động Chính vậy, cần có giải pháp việc xử lý bùn đỏ cải tiến công nghệ phù hợp để giảm bớt bùn đỏ Quá trình điện phân Hall- heroult quy trình điện phân để sản xuất nhôm, tốn nguồn điện năng, nguồn nguyên liệu bauxite lớn Vì môt nhà máy luyện nhôm muốn hoạt động với công suất cao, cho chất lượng kim loại nhôm tốt, có lợi nhuận cần chọn điều kiện phù hợp điều kiện nguyên liệu, điều kiện lượng, điều kiện môi trường kinh tế xã hội, không ngừng cỉa tiến công nghệ cho tiết kiệm nguồn lượng Trong ta cần phát triển ngành công nhiệp tái chế nhôm để tiết kiệm nguồn lượng 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Aluminium production Technology” [2] M.Authier-Martin, G Forté, S Ostap, and J See, The Mineralogy of Bauxite for Producing Smelter-grade Alumina [3] H Pyter, G.Tom, Extraction of Aluminium, (2010), 12-14 [4] http://vi.wikipedia.org/wiki/Bô_xít [5].http://www.World aluminium.org/About+Aluminium Production/Bauxit e+ mining /Geology+of+Bauxite [6] Bauxite Mining and the Environment [7] “Biobeneficiation of bauxite using Bacillus polymyxa: calcium and iron removal”, International Journal of Mineral Processing Elsevier Science B.V, 11 -1996, pp tr.5160 39 [8].http://www.ciren.gov.vn/index.php?option=com_vanbans&id=861&Itemid=54 Quyết định việc ban hành Quy định thăm dò, phân cấp trữ lượng tài nguyên bauxite [9].http://www.hs.wisd.org/ddaughenbaugh/Picture/alcoa_aluminum_smelter_and_mi ne.htm [10] Nguyễn Thanh Liêm, 22 tháng 10 năm 2008 “Tổng quan tài nguyên quặng Bauxite Quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến, sử dụng quặng bauxite giai đoạn 2007-2015 có xét đến năm 2025.” Hội thảo Gia Nghĩa 22- 23/10/2008 Ðắk Nông, Việt Nam [11].Wikipedia.ThFreeEncyclopedia.“Bayer Process.” http://en.wikipedia.org /wiki [12] Wikipedia.TheFree Encyclopedia.“Hall-Héroult Process.” http://en.wikipedia.oR g/wiki 40 [...]... Ca, Mg, C và các tạp chất Để đánh giá chất lượng quặng bauxite, người ta đánh gia thông qua chỉ tiêu gọi là mođun silic MSiO2 = tỷ số lượng Al2O3/SiO2 tỷ số này càng cao quặng càng tốt Theo nguồn gốc tạo thành địa chất, bauxite được chia làm hai loại: bauxite lateritic và bauxite karstic Bauxite lateritic được tạo thành từ quá trình phong hóa đa bazan, chiếm khoảng 90 % trữ lượng bauxite của thế giới,... nước xung quanh, tạo cơ sở vật chất kỹ thuật ban đầu và đội ngũ quản lý, kỹ thuật, đồng thời tích luỹ vốn để phát triển công nghiệp nhôm lâu dài với quy mô lớn, nhằm khai thác nguồn bauxite sẵn có để xuất khẩu các sản phẩm alumina và nhôm Nước ta đã có nhà máy Hoá chất Tân Bình thuộc Tổng công ty Hóa chất Việt Nam có dây chuyền sản xuất hydroxit nhôm – Al(OH) 3 từ quặng bauxite Lâm Đồng, dung sản xuất... quặng bauxite là nguồn tài nguyên lớn của nước ta, là cơ sở để hình thành ngành công nghiệp luyện nhôm, là nguồn lực quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước 3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT NHÔM Hiện nay trên thế giới quy trình sản xuất nhôm được thực hiện theo 3 giai đoạn chính đó là: Khai thác bauxite, chế biến alumina và luyện nhôm 19 3.1 Quy trình khai tác bauxite Hầu hết các mỏ bauxite. .. dụng như một chất kết dính Nhựa, hắc ín là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hữu cơ thơm và dị • vòng, mà đốt thành than khi xử lý nhiệt Nốt nhựa than đá được sử dụng phổ biến nhất, do tính bền vững của nó như là một chất kết dính và có ý nghĩa kinh tế Chức năng của pitch như một chất kết dính • • • • • • • • Tính thấm nước tốt của hạt than cốc và tính trộn Giải phóng dần dần các chất dễ bay hơi... xuất nhôm kim loại, 10% còn lại được sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác Nguồn quặng bauxite toàn thế giới ước tính khoảng 55-75 tỷ tấn, trong đó châu Phi chiếm 33%; châu Đại Dương 24%; Nam Mỹ và vùng Caribe 22%; châu Á 15%; các nơi khác là 6% Hình 2.1.1 Biểu đồ phân bố trữ lượng bauxite theo từng khu vực 12 Hình 2.1.2 Bản đồ phân bố bauxite, các hoạt động sản xuất nhôm. .. đóng băng bắt đầu) được hạ xuống bởi các chất phụ gia khác nhau từ 1011°C (cho criolite tinh khiết) xuống 930-960°C Alumina, nhôm florua và canxi florua là các chất phụ gia phổ biến nhất Canxi vào chất điện phân khi canxi oxit tạp chất có trong alumina và phản ứng với nhôm florua để đạt được một trạng thái ổn định với nồng độ 4-6% CaF2 từ đó nó được đồng gửi vào nhôm và mất với tốc độ bằng với tốc độ... Quy trình sản xuất alumina từ bauxite Quá trình sản xuất alumina thực chất là quá trình làm giàu Al 2O3, nhằm tách lượng Al2O3 trong bauxite ra khỏi các tạp chất khác Các phương pháp sản xuất alumina bao gồm phương pháp kiềm (hòa tách Al 2O3 trong quặng bauxite ra bằng kiềm NaOH); phương pháp axit (hòa tách Al 2O3 bằng các axit H2SO4; HCl; HNO3…); phương pháp đện (nấu quặng bauxite trong lò điện với than... triệu tấn bauxite trong năm 2015 do lượng bauxite dự trữ của nước này cạn kiệt Lượng dự trữ bauxite từ Indonesia được Trung Quốc tích trữ trước khi Indonesia thực hiện lệnh cấm đang giảm xuống với mức giảm 1 triệu tấn/tháng và có thể giảm xuống chỉ còn 20 triệu tấn trong năm 2014 và 8 triệu tấn vào cuối năm 2015 11 2 TỔNG QUAN VỀ BAUXITE 2.1 Tài nguyên Bauxite và tình hình khai thác trên thế gới Bauxite. .. criolite = Ngoài Criolite, chất điện phân còn có một số phụ gia từ khoáng vật fluoride như AlF3, CaF2, LiF, MgF2, và NaCO3 Các tính chất của chất điện phân: 33 • • • • • Tồn tại dạng nóng chảy ở nhiệt độ cao, điều có thể đạt được mà không quá nhiều khó khăn trong quá trình điện phân Có mật độ đủ thấp mà nó vẫn nổi trên đỉnh của kim loại nhôm trong tế bào để ngăn chặn quá trình oxy hóa nhôm Được sử dụng như... hàng năm như hiện nay, trữ lượng bauxite có thể đảm bảo cho nhân loại sử dụng trong 100 - 125 năm tới, nếu tính cả tài nguyên thì thời gian có thể tăng lên gấp đôi Từ bauxite có thể thu hồi alumina (Al2O3), rồi tiếp tục điện phân sẽ thu hồi kim loại nhôm Những khoáng vật chủ yếu của Bauxite là: gibbsite, diaspore, boehmite là một biến dạng đa hình của diaspore Khoảng 96% bauxite khai thác được sử dụng ... không khí Hình 1.1.1 Nhôm Bảng 1.1.1 Các tính chất chung tính chất vật lý kim loại nhôm Tính chất chung Khối lượng nguyên tử: 26,981538 đvC Tính chất vật lý Trạng thái vật chất: rắn Bán kính nguyên... chất kết dính • • • • • • • • Tính thấm nước tốt hạt than cốc tính trộn Giải phóng chất dễ bay trình nung anode Giá trị luyện than cốc cao Liên kết mạnh mẽ than cốc & hắc ín cacbon hóa Tính chất. .. cân nhiệt, không nên tháo hết nhôm bể thường để lại lượng nhôm lỏng ứng với chiều cao nước nhôm khoảng 15cm Nhôm đện phân gọi nhôm nguyên khai (để phân biệt với nhôm tái chế), có độ từ 99,50